Лекція 10

План

Формування поняття про роботу і енергію

Лекція 9

1. Науково-методичний аналіз понять «робота» і «енергія».

2. Структура і зміст теми.

3. Методика формування понять «робота» і «енергія».

Література:

1. Підручник з фізики для 8 класу.

2. Програми з фізики для 7-11 класів.

3. Іванова Ж.В. Фізика. 8 клас: Розробки уроків. – Х.: Веста: Вид. «Ранок», 2008. – 256 с.

4. Методика преподавания физики в 7-8 классах средней школы / Под ред. А.В.Усовой. – М.: Просвещение, 1990.

5. Пьоришкін О.В., Родіна Н.А. Викладання фізики в 6-7 класах ср. шк.. – К.: Рад.шк., 1982. – 269с.

6. Методика преподавания физики в средней школе: Частн. вопр. / Под ред. С.Е. Каменецкого и Л.А. Ивановой. – М.: Просвещение, 1987. – 336 с.

7. Альохіна Л.А. Розгорнуте календарне планування. – Х.: Веста: Вид. «Ранок», 2008. – 112 с.

8. Іванова Ж.В. Фізика. 8 клас: Розробки уроків. – Х.: Веста: Вид. «Ранок», 2008. – 256 с.

1. Науково-методичний аналіз понять «робота» і «енергія»

Дуже важливі поняття фізики – робота і енергія тісно пов’язані між собою. У методиці викладання фізики предметом дискусії є питання про те, з чого почати їх вивчення із поняття роботи чи з поняття енергії? Щоб відповісти на це запитання, необхідно розкрити суть даних понять.

Поняття роботи і енергії розвивались у тісному взаємозв’язку. Зв’язок цих понять настільки великий, що інколи допускають плутанину їх ознак і замикають логічне коло в їх означеннях : роботу визначають через енергію, а енергію – через роботу. Ці означення ускладнюють засвоєння суті понять. Усунути ці недоліки можна лише за умови, коли будуть з’ясовані спільні риси їх і здійснено чітке розмежування спільних ознак.

Відомо, що рух – це невід’ємна властивість матерії, форма її існування. Кількісна міра руху матерії у всіх ї формах – це енергія. Отже, кожний матеріальний об’єкт повинен мати енергію. Але рух може передаватися від одних матеріальних об’єктів до інших, може змінюватися форма руху матерії – це означає, що може змінюватися енергія.

Кількісною мірою зміни енергії служить робота. Ще Ф. Енгельс відмічав: «Робота – це зміна форми руху, яка є її кількісною мірою». Таким чином, первинним поняттям є енергія, вторинним – робота. Згідно цього, можна було б зробити висновок по те, що спочатку необхідно вводити поняття енергії, а потім – роботи. Але методично це зробити складно. Поняття енергії – одне з найширших і найскладніших понять у фізиці. Професор А.Б. Млодзієвський, великий педагог і відомий фізик, говорив, що з усіх понять фізики найнезрозумілішим є поняття енергії. Щоб засвоїти це поняття, треба насамперед навчитися правильно користуватися ним у міркуваннях, у розрахунках. У науку термін «енергія» було введено в 1850 р. англійським фізиком Т.Юнгом. остаточно поняття енергії й закон збереження енергії оформилися наприкінці ХІХ століття.

Поняття роботи простіше й конкретніше. У науку термін «робота» було введено (в 1826 р.) французьким вченим Понселе, але суть змісту поняття роботи використовувалася й набагато раніше («золоте правило механіки»). Поняття роботи, раніше введене в науку, сприяло формуванню більш складного поняття енергії. Тому у першому концентрі вивчення фізики раціональніше починати вивчення теми з роботи і від неї переходити до енергії.

Розкриття фізичної суті понять роботи і енергії має велике методологічне значення, тому що сприяє формуванню діалектико-матеріалістичного світогляду. Тема має велике політехнічне значення, тому що знайомить учнів з простими механізмами, ККД машин і механізмів, їх використанням у техніці. Екологічне значення теми складають питання використання енергії води і вітру, сонця, роботи гідроелектростанцій, питання енергозбереження.

1. Структура і зміст теми

Зміст теми складають наступні питання:

1. На підставі розгляду прикладів механічної роботи встановлюють її основні ознаки: наявність прикладеної сили і переміщення тіла.

2. Дають означення механічної роботи, одиниці роботи.

3. На конкретних прикладах виконаної роботи, з урахуванням часу вводять поняття потужності.

4. Формують уявлення про призначення простих механізмів, корисну роботу, ККД.

5. Вводять поняття енергії як характеристики стану тіла. У результаті виконаної роботи тіло переходить з одного стану в інший. Мірою зміни енергії є виконана робота.

2. Методика формування понять «робота» і «енергія».

Методичне завдання вчителя полягає в тому, щоб показати учням, який зміст вкладають у науці в поняття роботи. Вони повинні запам’ятати, що, якщо виконується робота, то, очевидно, змінюється енергія. І навпаки, якщо змінюється енергія, то може виконуватися робота. (Але треба мати на увазі, що мірою зміни енергії може бути і кількість теплоти).

У 8 класі знайомлять учнів з механічною роботою. Насамперед звертають увагу на головні її ознаки. Учні повинні засвоїти, що наявність прикладеної сили і переміщення тіла у напрямку дії сили – головні ознаки механічної роботи. Якщо хоча б одна умова відсутня – то механічна робота не виконується.

Логіку міркувань підтверджують експериментом. Для цього треба мати метрову лінійку і дві гирі – 1 та 5 кг.

З’ясовують від чого залежить величина механічної роботи, виконаної проти сили тяжіння.

Після цього дають означення роботи: це фізична величина, яка дорівнює добутку сили на шлях, пройдений тілом у напрямку цієї сили.

Нове поняття закріплюють шляхом розв’язування задач.

Використання цього поняття продовжують при вивченні потужності і простих механізмів.

Поняття енергії тісно пов’язане з поняттям роботи, тому на уроці, присвяченому вивченню теми «Енергія» повторюють матеріал про механічну роботу. Пропонують учням відповісти на запитання: Що називають механічною роботою? Назвіть дві основні ознаки роботи. Як вимірюють роботу? Як можна виразити її у вигляді формули? Назвіть одиницю роботи.

Після цього переходять до введення поняття енергії. Починають це з дослідів. Піднімають над столом гирю. Звертають увагу на те, що гиря не рухається, отже, робота не виконується. Але якщо гиря почне падати, то при цьому виконується робота. Виконують дослід з візком, який приводиться в рух вантажем, що падає. Під час падіння вантаж приводить у рух візок, при цьому виконується робота:

У наступному досліді показують стиснуту пружину, яка розпрямляючись, рухає кульку, візок або піднімає вантаж, виконуючи при цьому роботу. Роблять висновок: піднятий на деяку висоту вантаж і стиснута пружина мають можливість виконувати роботу.

На похилому жолобі встановлюють невеликий дерев’яний циліндр, сталева кулька, скотившись зверху вдаряється об циліндр і пересуває його. Роблять висновок: якщо тіло або кілька взаємодіючих між собою тіл мають можливість виконати роботу, то прийнято говорити, що вони мають енергію. Тому можна сказати, що піднята гиря, стиснута пружина, рухома кулька мають енергію.

Енергія є особливою фізичною величиною, яка характеризує можливість тіла виконувати роботу.

Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшу енергію воно має.

Дуже важливо, щоб учні запам’ятали, що тіло, маючи енергію, перебуває в особливому стані: гиря піднята, пружина стиснута або розтягнута, тобто деформована, кулька рухається і т.д. У результаті виконаної роботи тіло переходить з одного стану в інший: гиря опускається, стиснута пружина розпрямляється, швидкість рухомої кульки зменшується, при цьому енергія даних тіл змінюється. Виконана робота є мірою зміни енергії під час переходу тіла з одного стану в інший.

Наступним етапом у формуванні поняття енергії є розрізнення двох основних видів механічної енергії – потенціальної і кінетичної.

Починають з прикладів потенціальної енергії: енергія вантажу, піднятого відносно поверхні Землі, енергія деформованої пружини, енергія стиснутого газу або пари:

Після введення поняття слід розглянути основні приклади застосування потенціальної енергії – піднятої греблею води, деформованої пружини в годиннику і ін. важливо також показати учням, що потенціальна енергія може виявитися лише за певних умов: наприклад, піднята гиря закручена пружина тільки тоді приведуть у рух годинниковий механізм, коли гирі буде надано можливість падати, а пружині – розкручуватися. Дають означення:

Потенціальна енергія W_n – це енергія, зумовлена взаємодією тіл або частин одного тіла. W_n = mgh.

Потім вводять поняття кінетичної енергії. Повідомляють учням, що за нульовий рівень кінетичної енергії можна умовно прийняти енергію тіла, яка перебуває відносно Землі у стані спокою.

Відповідно до означення поняття енергії показують учням, що рухоме тіло має можливість виконувати роботу.

Дають означення: кінетична енергія W_к – це енергія, яка зумовлена рухом тіла.

Взаємні переходи енергії дуже добре ілюструвати дослідами на падіння тіла; рух тіла, кинутого вертикально, рух тіла вгору і вниз по похилій площині, вільне коливання маятника. Ці досліди прості, але потребують старанного логічного пояснення. У бесіді з учнями, залучаючи їх до пояснень, розглядають ряд питань: Яку енергію і чому має тіло, коли воно перебуває у верхньому положенні? На якій підставі ми стверджуємо потім, що ця енергія зменшується? Як змінюється під час скочування швидкість тіла та його кінетична енергія?

Усі відповіді учні повинні обґрунтувати. Така бесіда допоможе учням зрозуміти закон збереження енергії:

У системі тіл, які взаємодіють тільки одні з одними і тільки силами пружності й силами тяжіння, повна механічна енергія не змінюється.

Наголошують, що закон збереження механічної енергії справджується лише в тому випадку, коли немає втрат механічної енергії.

Розділ VІІІ. Змістовний модуль 10